JP2007085758A - ライダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 全光機能素子に偏波保存型光ファイバ部品を用いることにより偏波面コントローラ及び偏波面制御回路を不要とし、各要素部品の低コスト化を図る。
【解決手段】 低コヒーレントレーザダイオードと、上記レーザダイオードから出力されたレーザ光をローカル光と信号光とに分光する第１の光カップラと、上記レーザ光を強度変調する光強度変調手段と、信号光を増幅する光増幅器と、上記増幅された信号を大気中に送信すると共に大気からの散乱光を受信する送受光学系と、上記ローカル光と受信光の一部とが第２のカップラを介して入力され上記２つの信号のビート信号を出力するヘテロダイン受信器とから構成されると共に、上記全光機能素子を偏波保存型光ファイバ部品により構成したことを特徴とするライダー装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定するライダー装置に関し、特に低コヒーレントのパルスレーザ光を発信するレーザダイオードを光源に使用するライダー装置に関するものである。

目標の距離、速度、密度分布、速度分布等の物理情報を測定することを目的とする装置としては、マイクロ波またはミリ波を使用するパルスドップラレーダ装置と光波（レーザ光）を使用するコヒーレントライダー装置（コヒーレントレーザレーダ装置ともいう）とがある。前者では広範囲、長距離の測定が可能であり、後者では高空間分解能、高速度分解能での測定が可能である。

ソフトターゲットが目標である風速や風速分布等の測定の場合、パルスドップラレーダ装置では主に大気中の雨滴、霧または雲の粒子を散乱体とし、そのエコーのドップラーシフトから風速を計算する。したがって、大気中に雨滴、霧または雲の粒子のない晴天時では十分な強度のエコーが得られず、パルスドップラレーダ装置では晴天時の風速や風速分布を測定することが困難であった。

一方、レーザ光を使用するコヒーレントライダー装置では大気中のエアロゾルでも十分な散乱強度が得られるため、晴天時でも風速や風速分布の測定が可能である。このため、コヒーレントライダー装置を空港に設置したり、航空機に搭載して、乱気流等の障害物を検知する装置として利用されている。このようなコヒーレントライダー装置の例としてたとえば特許文献１（特開２００３−２４０８５３）に示されるようなものがある。

図３は上記特許文献１に記載の従来のコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図である。図において、光源１は光カップラ２に接続されており、光カップラ２の２つの出力のうちの一方はヘテロダインレシーバ８に、他の一方は光強度変調器３に接続されている。光強度変調器３はパルスの切り出しと同時に周波数シフトを与えるもので、その出力は更に光増幅器４により増幅され送受光学系５に送られる。送受光学系５は光カップラ６に接続され、更に光カップラ６からの２つの出力のうち一方は偏波面コントローラ７に、他の一方は偏波面制御回路１２（フォトダイオード１３）に送られる。

偏波面コントローラ７は光ファイバケーブル中を伝播する光信号の偏波面の向きをコントロールするものであり、その一方の出力は偏波面制御回路１２（ＣＰＵ１８）に、他方はヘテロダインレシーバ８に送られる。ヘテロダインレシーバ８の出力は分配器９を介して一方は偏波面制御回路１２（アンプ１９）に、他方はＡＤ変換器１０を介して信号処理回路１１に接続されている。図３のコヒーレントライダー装置は風速検知を目的として風速のドップラー周波数を求めるものとして説明する。

次に、このコヒーレントドップラライダー装置の動作を説明する。先ず光源１から出力された光信号は光カップラ２により分割され、一方はローカル光としてヘテロダインレシーバ８に送られ、他方は信号光として光強度変調器３に入力され、これにより上記したように強度変調と周波数シフトが行われる。さらに光増幅器４により増幅された信号は送受光学系５を介して大気中に送信されるが、光増幅器４からの信号の一部は送受光学系５における内部反射光として受信側の光ファイバケーブルに漏れこむ。

送受光学系５は望遠鏡とコニカルスキャナーとを含む光アンテナ部としての概念であり、円錐状に走査された送信光を大気中に出力し、且つ大気中のエアロゾルによって散乱された散乱光の一部を受信する。大気中からの散乱光である受信光は、送受光学系５を介して内部反射光と共に光カップラ６に送られる。この信号を図４に示している。光カップラ６からの信号は偏波面コントローラ７により偏波面が制御された後ヘテロダインレシーバ８に送られる。ヘテロダインレシーバ８においてはローカル光と受信光の一部とがヘテロダイン検波され２つの信号のビート信号が出力される。

このビート信号は分配器９により、内部反射光の成分が含まれる時間帯の信号と、大気中からの散乱光が含まれる時間帯の信号に切り分けられる。
２つの信号のうち、大気中からの散乱光が含まれる時間帯の信号は、ＡＤ変換器１０によりデジタル化された後信号処理回路１１に送られ、ここで一時記憶、ゲーティング、フーリエ変換等により周波数の解析が行われ、ドップラー周波数を検出した後、風速等が計算により求められる。

ところが上記回路において、光カップラ２からヘテロダインレシーバ８に送られるローカル光および上記光カップラ６から偏波面コントローラ７を介してヘテロダインレシーバ８に送られる信号（内部反射光および大気中からの散乱光）の偏波面の向きは光ファイバケーブル内で不規則な変動を受けており、このままヘテロダイン検波すると偏波面が一致していないため大気中からの散乱信号の検出効率が低下あるいは変動するという問題がある。

偏波面制御回路１２は上記不規則な変動を抑制するための回路で、光カップラ６からの内部反射光の強度をフォトダイオード１３、アンプ１４により検出してピークホールド回路１５によりそのピーク値Ａが保持される。一方、アンプ１９により分配器９のビート信号のうちの内部反射光の成分が含まれる時間帯の信号を増幅し、そのピーク値Ｂをピークホールド回路１７により保持し、これらの比Ｂ／Ａを比較器１６で設定されたタイミングでＣＰＵ１８にて計算することにより偏波面の合致度を求め、これを偏波面コントローラ７にフィードバックすることによりヘテロダイン検波時におけるローカル光と内部反射光との偏波面を一致した状態に保持させるようにしている。

特開平１１−３０８０４７号公報

しかしながら、このような従来のコヒーレントドップラライダー装置では、光ファイバケーブル内で発生する偏波面の不規則な変動を抑制するため、偏波面コントローラ及び偏波面制御回路が必須となり、回路部品が増加し、複雑・高価となる他、保守作業の煩雑化が避けられなかった。
この発明の目的は、コヒーレントライダー装置の全光機能素子に偏波保存型光ファイバ部品を用いることにより偏波面コントローラ及び偏波面制御回路を不要として、各要素部品の低コスト化を図るようにしたものである。

この発明のライダー装置は、低コヒーレントレーザダイオードと、上記レーザダイオードから出力されたレーザ光をローカル光と信号光とに分光する第１の光カップラと、上記レーザ光を強度変調する光強度変調手段と、信号光を増幅する光増幅器と、上記増幅された信号を大気中に送信すると共に大気からの散乱光を受信する送受光学系と、上記ローカル光と受信光の一部とが第２のカップラを介して入力され上記２つの信号のビート信号を出力するヘテロダイン受信器とから構成されると共に、上記全光機能素子を偏波保存型光ファイバ部品により構成したことを特徴とするものである。

本発明により、偏波面コントローラ及び偏波面制御回路等の制御回路が不要となるため、回路素子構成が簡単化し、低コスト化されると共に、保守作業が減少するものである。

実施の形態１.
図１はこの発明の実施の形態１におけるコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図であり、従来装置と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。図において、光源１として例えば分布帰還形レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）等の光源が用いられる。上記光源１は光カップラ２に接続されており、光カップラ２の２つの出力のうちの一方はローカル光として用いられ、光カップラ２１を介して光ヘテロダイン受信器８に送られる。

他の一方は信号光として光強度変調器３に接続されている。光強度変調器３は光の強度変調と周波数シフトとを行い、その出力は更に光増幅器４により増幅されサーキュレータ２０を介して送受光学系５に接続される。図中３aは周波数シフト用のパルス高周波電源である。上記送受光学系５は望遠鏡とコニカルスキャナーとを含んでおり、コニカルスキャナーにより円錐状に走査された送信光を大気中に送信すると共に、大気中のエアロゾルによって散乱された散乱光の一部を受信する。

大気中からの散乱光である受信光は、サーキュレータ２０により、光カップラ２１を介して光ヘテロダイン受信器８に送られる。上記光ヘテロダイン受信器８は上記ローカル光と受信光の一部とがヘテロダイン検波され２つの信号のビート信号を出力し、以下の信号処理は従来のものと同じであるため省略する。
この発明の実施の形態１におけるコヒーレントライダー装置はその光部品の全てを偏波保存型光ファイバ部品により構成している。

上記光源１、光カップラ２、光強度変調器３等の光部品相互間の連結には従来からシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が広く使われている。しかしこれらの光ファイバには直交する２つの偏波面をもつモードが存在し、相互の偏波面の向きが干渉しその向きが変動する性質がある。これに対し偏波保存型光ファイバは、これら２つの偏波モード間に伝播定数差を生じさせて、それぞれの偏波モードからもう一方への偏波モードへの結合を抑制する性質がある。

この偏波保持能力が高い偏波保存型光ファイバ及びこれを用いた光ファイバ受動部品はこれまで種々のタイプのものが開発されているが、光ファイバ増幅器においてはその製造方法の困難性から極めて高価なものとなっていた。しかし、最近フッ化物ファイバやテルライトファイバをエルビウム（Ｅｒ）のホストとして用いたタイプのものを代表として高品質、低コストのものが生産可能になり、偏波保存型の光ファイバ増幅器や光ファイバレーザの実用化が行われている。

この発明は上記コヒーレントライダー装置をその光部品の全てを偏波保存型光ファイバ部品により構成することにより、従来必要としていた偏波面コントローラ、偏波面制御装置等により光ファイバケーブル中を伝播する光信号の偏波面の向きを手動あるいは自動的にコントロールする必要をなくしたものである。

実施の形態２.
図２はこの発明の実施の形態２におけるコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図であり、図中、図１のものと同一あるいは相当部分には同一符号を付している。図において、図１と唯一異なるところは、光カップラ２のローカル光が光路長遅延手段２２を介して光カップラ２１に送られるようにした点にある。

コヒーレントライダー装置はパルス出力した光を大気空間に放出した際にエアロゾル散乱光のドップラーシフトから複数距離の風速を同時検出する装置であり、その検出感度を確保するために光ヘテロダイン検波８を用い、検波により生成された電気信号をＡＤ変換器１０にてサンプリングし、デジタル信号として信号処理回路１１に供給して目標の風速等を計算するものである。

このとき、大気空間に放出した光が目標の測定距離に存在するエアロゾル等による散乱光を受信するまでの時間だけ上記光路長遅延手段２２によりローカル光の光カップラ２１への入力を遅らせることにより、このときの受信光とローカル光とによりビート信号を検出することができるものである。換言すれば、目標の測定距離は上記光路長遅延手段２２による遅延時間により決定されることになる。すなわち、送信光が送出されてから受信光が受信されるまでの時間がその遅延時間と略等しくなる距離にある目標のみが測定される。なお、種々の測定距離における目標の測定に対しては、上記光路長遅延手段の遅延時間を適宜制御すればよい。

一般に、測定時に設定した距離分解能ΔRに対して、スペクトルの広がりΔfは、次式で表される。

ただし、ｃは光速を示す。
いま、光源のコヒーレンスの程度として、光源の縦モード線幅をΔνとして

とする。
例えばΔR＝10ｍの時には、（１）式より Δｆ＝15MHｚとなり、Δν＝1MHｚのDFBレーザダイオード光源を用いる場合には、Δν＜Δf/10となり（２）式の条件を満足する。

ところが、この発明の実施の形態２によれば、ローカル光の光路を受信光のそれと略等しくする光路長遅延手段を設けたので、距離分解能ΔＲにより決定されるスペクトル幅Δｆよりも縦モード線幅Δνが大きな（広がった）低コヒーレント光源を用いた場合においても所定のコヒーレント特性（可干渉性）を確保することができる。可干渉性を確保できることにより目標距離における速度推定に必要な信号対雑音比（ＳＮＲ）を低い送信光パワーで得ることができ、光増幅器を始めとする各要素の更なる低コスト化が期待できる。

一方、上記の特性において、光源の低コヒーレント性を積極的に生かした測定を行うことも可能である。すなわち、上記の光路条件に設定することで目標距離以外のＳＮＲは低く抑えられ、目標距離のみが高いＳＮＲで検出できる。従って、目標距離の直後に建物や木々などのハードターゲットが存在する場合に、それらによる散乱光ビート（ゼロドップラ信号）を検出することなく、目標距離での風速のみを選択的に測定できるというメリットが期待できる。

なお、上記の実施の形態１、２においては、風速の正負符号（追い風、向かい風）を検出するために光強度変調器３において強度変調と同時に周波数シフトを行っているが、測定器自身が常に追い風あるいは、向かい風を受ける状態に設置される場合には周波数シフトの必要はない。従って、この場合には光強度変調器に周波数シフト機能が不要となる。さらに、上記装置の設置状態でレーザダイオードを光源として使用する場合には、レーザダイオードの駆動電流自体を変調して強度変調を行うことが可能となる。これにより光強度変調器３自体を省略でき装置構成を簡略化できる効果がある。

この発明の実施の形態１におけるコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２におけるコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図である。 従来のコヒーレントライダー装置の構成を示すブロック図である構成を示すブロック図である。 従来のコヒーレントライダー装置の動作を説明する図である。

符号の説明

１ 低コヒーレント光源、
２ 光カップラ、
３ 光強度変調器、
４ 光ファイバ増幅器、
５ 送受光学系、
８ 光ヘテロダイン受信器、
１０ ＡＤ変換器、
１１ 信号処理回路、
２０ サーキュレータ、
２１ 光カップラ、
２２ 光路長遅延手段。

Claims (6)

1. 低コヒーレントレーザダイオードと、上記レーザダイオードから出力されたレーザ光をローカル光と信号光とに分光する第１の光カップラと、上記レーザ光を強度変調する光強度変調手段と、信号光を増幅する光増幅器と、上記増幅された信号を大気中に送信すると共に大気からの散乱光を受信する送受光学系と、上記ローカル光と受信光の一部とが第２のカップラを介して入力され上記２つの信号のビート信号を出力するヘテロダイン受信器とから構成されると共に、上記全光機能素子を偏波保存型光ファイバ部品により構成したことを特徴とするライダー装置。
2. 請求項１において、低コヒーレント光源として分布帰還形レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）が用いられることを特徴とするライダー装置。
3. 請求項１において、上記第１の光カップラと光増幅器との間に上記第１の光カップラからの信号光を強度変調すると共に周波数シフト可能な光強度変調器を挿入したことを特徴とするライダー装置。
4. 請求項１において、上記レーザダイオードの駆動電流自体を変調して強度変調を行うことを特徴とするライダー装置。
5. 請求項１において、上記第１の光カップラからのローカル光が光路長遅延手段を介して第２の光カップラに送られるようにしたことを特徴とするライダー装置。
6. 請求項５において、光路長遅延手段はその遅延時間が、送信光が送出されてから受信光が受信されるまでの時間と略等しくなるように制御したことを特徴とするライダー装置。

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